1. Princípio do tratamento térmico a laser
O tratamento térmico a laser é uma tecnologia de tratamento térmico de superfície que usa laser para aquecer materiais metálicos para obter as propriedades de superfície desejadas. O laser é direcionado para a superfície metálica e se a reflexão for superada, a maior parte da energia do laser penetra na superfície metálica e é absorvida.
Isso faz com que os elétrons do metal fiquem excitados e colidam com a rede ou outros elétrons, transferindo rapidamente calor da superfície do metal para o seu interior. Isso resulta em uma alta taxa de resfriamento, que por sua vez leva ao endurecimento da superfície.
O aquecimento a laser possui alta densidade de potência, o que significa que uma grande quantidade de potência está concentrada em uma pequena área da peça de trabalho. Esta alta densidade de potência permite que a peça atinja rapidamente a temperatura de austenitização na área irradiada pelo laser.
No entanto, devido ao rápido aquecimento, o calor não pode ser transferido da peça por condução e dissipação de calor no tempo. Após a conclusão do aquecimento do laser, a temperatura na maior parte da peça permanece baixa.
Isto permite que a área aquecida seja resfriada rapidamente através da condução de calor dentro da própria peça, resultando em efeitos desejados de tratamento térmico, como fogo flutuante.
Diagrama esquemático de extinção a laser
Tecnologia de revestimento a laser
2. Vantagens e desvantagens do tratamento térmico a laser
O tratamento térmico a laser é um método de modificar as propriedades da superfície dos metais usando feixes de laser de alta densidade de potência. Pode induzir o endurecimento por transformação de fase (como fogo flutuante de superfície), liga de superfície e outras modificações de superfície, resultando em mudanças na composição, estrutura e propriedades da superfície não alcançáveis por outros meios.
Através do tratamento térmico a laser, a dureza superficial do ferro fundido pode atingir mais de 60 graus de dureza Rockwell (HRC), e a dureza superficial do aço de médio e alto carbono pode exceder 70 graus HRC, melhorando assim seu desgaste, fadiga, corrosão, resistência à oxidação, e outras propriedades, e estendendo sua vida útil.
Comparado aos processos tradicionais de tratamento térmico, como têmpera de alta frequência, cementação e nitretação, o tratamento térmico a laser tem várias vantagens:
- Não são necessários materiais adicionais, apenas a estrutura da superfície do material tratado é alterada.
- A camada modificada tratada tem espessura suficiente e pode ser ajustada a uma profundidade de 0,1-0,8 mm conforme necessário.
- Deformação mínima da peça processada.
A alta densidade de potência do laser e o curto tempo de interação com a peça (10 ^ -2 a 10 segundos) resultam em deformação térmica mínima e alteração geral da peça, tornando-a adequada para o processamento de peças de alta precisão como procedimento de processamento final de materiais e peças.
- Boa flexibilidade de processamento e ampla aplicação.
O sistema flexível de guia de luz pode direcionar o laser para a peça de processamento conforme desejado, possibilitando o processamento de furos profundos, furos internos, furos cegos e ranhuras. O processamento local seletivo também pode ser realizado.
Para digitalização de grandes áreas, múltiplas técnicas de sobreposição, tecnologia de pontos de grandes áreas, métodos de desfocagem, métodos de banda larga ou métodos de espelho rotativo devem ser usados porque a área do ponto de laser é pequena.
Ao lapidar várias vezes, a microdureza flutua na área entre cada banda de varredura adjacente e uma mudança macroperiódica de desempenho é observada no revestimento lapidado do ponto de vista metalográfico.
Ao usar a tecnologia spot de grande área, áreas spot maiores resultam em densidades de potência mais baixas quando a potência de saída é constante. Aumentar o diâmetro do feixe pode enfraquecer a alta densidade de energia e as vantagens de aquecimento rápido do laser.
3. Aplicação de tratamento térmico a laser
O tratamento térmico a laser pode ser aplicado a quase todos os tratamentos térmicos de superfícies metálicas. Atualmente, é amplamente utilizado em indústrias com alto desgaste, como automóveis, metalurgia, petróleo, maquinário pesado, maquinário agrícola e produtos de alta tecnologia como aeroespacial e aviação.
1. Indústria automobilística
O tratamento térmico a laser é amplamente utilizado na indústria automobilística e pode ser aplicado a muitas peças importantes de um veículo, como blocos de cilindros, camisas de cilindro e virabrequins.
Por exemplo, a General Motors nos Estados Unidos utiliza mais de uma dúzia de lasers de nível de quilowatt para tratamento térmico na indústria automotiva. Nas principais peças automotivas, CO2 os lasers endurecem parcialmente a parede interna do invólucro do comutador, com uma produção diária de 30.000 conjuntos, resultando em uma melhoria de quatro vezes na eficiência do trabalho.
2. Fabricação de grandes locomotivas
O tratamento térmico a laser foi adotado na grande indústria de fabricação de locomotivas, melhorando a vida útil das locomotivas. Isso inclui tratamento térmico a laser de grandes virabrequins e camisas de cilindro e molas principais de motores de locomotivas a diesel.
O processo de fabricação de moldes nesta indústria é complexo e requer alta precisão, com diversos formatos e amplas aplicações. No entanto, a curta vida útil dos moldes muitas vezes leva ao aumento dos custos e à dificuldade de reparo.
Para resolver esses problemas, o tratamento térmico a laser de superfícies de moldes está gradualmente ganhando reconhecimento e adoção. Este método pode duplicar a vida útil do molde sem ser limitado pela forma ou tamanho.
A tecnologia de tratamento de superfície a laser abrange várias técnicas, incluindo: transformação de fase a laser, revestimento a laser, liga a laser e tratamento composto de superfície a laser.
1. Têmpera de superfície a laser
(1) Princípio de têmpera de superfície a laser
Na têmpera de superfície a laser, um laser é usado para aquecer a superfície de um material metálico a uma temperatura acima de seu ponto de transformação. À medida que o material esfria, ele se transforma de austenita em martensita, o que endurece a superfície. Isso resulta em uma camada de tensão compressiva, que melhora a resistência à fadiga da superfície. Ao usar este processo, a resistência ao desgaste e à fadiga dos materiais pode ser bastante melhorada.
(2) Características da têmpera de superfície a laser
Pesquisas recentes mostraram que a aplicação de têmpera superficial a laser enquanto a peça está sob pressão e a remoção da força externa após a têmpera pode aumentar a tensão de compressão residual e melhorar a resistência à compressão e à fadiga da peça.
Além disso, a rápida velocidade de têmpera da superfície do laser resulta em menor transferência de calor para o material, o que reduz a deformação térmica em 1/3 a 1/10 em comparação com a têmpera de alta frequência. Isto reduz a carga de trabalho das operações subsequentes e reduz os custos de fabricação.
O processo é de auto-resfriamento, tornando-o um método de tratamento térmico limpo e higiênico. Também é conveniente realizar processamento composto com o mesmo sistema de processamento a laser. Isso permite a produção automática integrando diretamente a oferta e a demanda de têmpera a laser na linha de produção.
A natureza sem contato do processo o torna ideal para têmpera superficial em ranhuras estreitas e superfícies inferiores.
(3) Aplicação de têmpera de superfície a laser
A têmpera de superfície a laser é amplamente utilizada devido às suas inúmeras vantagens. Ele pode aumentar a resistência ao desgaste dos blocos de cilindros do motor em mais de três vezes, dobrar a vida útil das arestas de corte em máquinas de corte de placas de aço laminadas a quente e é usado para têmpera de trilhos guia de máquinas-ferramenta, superfícies de dentes de engrenagem, pescoços de manivela de virabrequim de motor e cames e várias arestas de corte de ferramentas.
